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(1.湖南環(huán)達(dá)公路橋梁建設(shè)總公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014;2.湖南省高速公路投資集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410003)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路建設(shè)不斷地向山區(qū)及西部延伸，公路隧道修建越來(lái)越多。然而，受到地質(zhì)、地形、氣候等諸多條件以及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種因素的影響，隧道在施工過(guò)程中或建成后的使用過(guò)程中出現(xiàn)了諸如襯砌裂損、隧道滲漏水等病害。方利成[1]等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂縫實(shí)例直觀地描述了隧道裂縫，為后續(xù)學(xué)者全面認(rèn)識(shí)和防治裂縫做了鋪墊。陳榮魁[2]對(duì)福建霞浦赤嶺隧道地質(zhì)病害繁多的情況做了深入分析，并提出了合理的處治措施。徐琳[3]闡述了某高速公路隧道二次襯砌(以下簡(jiǎn)稱：二襯)產(chǎn)生裂縫情況，多角度總結(jié)了兩隧道裂縫的成因，提出了裂縫治理的方法。王鐵夢(mèng)[4]對(duì)工程結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的研究，從裂縫的基本概念、溫度對(duì)裂縫的影響、應(yīng)力松弛和各種條件下對(duì)各種工程結(jié)構(gòu)裂縫的控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。郗慶桃[5]對(duì)梁家山隧道襯砌裂縫及滲漏水進(jìn)行了研究，提出相應(yīng)的治理措施。然而，受測(cè)試技術(shù)的限制，上述研究都未能就隧道裂縫的發(fā)展特征做詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。

1 裂縫監(jiān)測(cè)及發(fā)展特征

1.1 測(cè)點(diǎn)工程概況

某隧道地貌上屬侵蝕構(gòu)造地形砂質(zhì)頁(yè)巖、灰?guī)r低山區(qū)。為左右幅分離式隧道，隧道左線全長(zhǎng)701 m，右線全長(zhǎng)726 m，屬中隧道。建筑限界寬為10.25 m，最大埋深124 m。左右洞測(cè)線間距14.26～33.25 m，屬分離式隧道。

該隧道左洞二次襯砌在施工過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂，且裂縫隨隧道后續(xù)開(kāi)挖有明顯的發(fā)展趨勢(shì)，為保證安全施工，對(duì)左洞二次襯砌裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

1.2 測(cè)試方法

根據(jù)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，綜合采用裂縫寬度儀與裂縫深度儀、智能測(cè)縫監(jiān)測(cè)計(jì)以及貼紙條與觀察等方法對(duì)該隧道左洞二襯裂縫進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。

1.3 裂縫分布位置

該隧道二襯裂縫的分布具有集中成段性，主要集中于左洞ZK38+160 ～ZK38+250段長(zhǎng)90 m范圍，其它位置裂縫較少。主要裂縫(長(zhǎng)度大于1 m或?qū)挾却笥?.01 mm)分布情況如圖1所示。圖中編號(hào) A1A2、B1B2、C1C2、D1D2、E1E2、G1G2、H1H2、M1M2、K1K2、Y1Y2為開(kāi)始監(jiān)測(cè)工作時(shí)已存在的裂縫，編號(hào)N1N2、P1P2、q1q2、J1J2、 W1W2、t1t2、e1e2、f1f2、a1a2、b1b2為監(jiān)測(cè)工作開(kāi)始后新增的裂縫。圖1 中黑色圓點(diǎn)所在位置表示后期智能測(cè)縫監(jiān)測(cè)計(jì)的布設(shè)點(diǎn)。

圖1 隧道左洞二次襯砌主要裂縫分布圖

二襯裂縫分布在洞口段較多，洞內(nèi)較少；V級(jí)圍巖地段出現(xiàn)較多，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖地段未出現(xiàn)。該隧道二襯裂縫寬度在0.34～3.21 mm之間，深度在23～126 mm之間，該裂縫基本穩(wěn)定時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表1所示。

表1 各裂縫參數(shù)最終監(jiān)測(cè)結(jié)果裂縫名稱裂縫位置(樁號(hào))寬度/mm深度/mm長(zhǎng)度/mA1A2ZK38+237 5～ZK38+233 1 381154 5M1M2 ZK38+245～ZK38+225 1 216520B1B2 ZK38+221～ZK38+213 0 54578W1W2 ZK38+220～ZK38+218 50 62313C1C2 ZK38+213～ZK38+210 0 84873D1D2 ZK38+218～ZK38+210 1 361173E1E2 ZK38+210～ZK38+205 0 38235F1F2 ZK38+210～ZK38+205 0 42235G1G2 ZK38+208～ZK38+195 0 665013H1H2 ZK38+220～ZK38+208 0 816312J1J2ZK38+194 5～ZK38+193 1 211203S1S2 ZK38+210～ZK38+208 50 8603P1P2 ZK38+208～ZK38+205 0 53483t1t2ZK38+191 50 52313e1e2 ZK38+187～ZK38+183 1 31468f1f2ZK38+185 5～ZK38+181 0 34176a1a2ZK38+173 5～ZK38+170 2 731268b1b2 ZK38+171～ZK38+168 3 21678 5

1.4 發(fā)展特征

1.4.1 縱向裂縫

根據(jù)圖1可以看到，該二襯縱向裂縫最多，并在前1.5～2個(gè)月發(fā)展較快，且發(fā)展速度隨著時(shí)間增長(zhǎng)呈衰減趨勢(shì)，在這之后裂縫長(zhǎng)度和寬度趨于穩(wěn)定。圖2為縱向裂縫A1A2的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。以A1A2裂縫為例，此裂縫位于隧道拱腰，2015年10月15日開(kāi)始出現(xiàn)，初始寬度、深度、長(zhǎng)度分別為0.61 mm、52 mm、4.5 m左右，發(fā)育至 2015 年12 月初，速度減緩，趨于穩(wěn)定，至 2016 年 12 月 7 日，裂縫最終寬度、深度、長(zhǎng)度分別為1.38 mm、115 mm、4.5 m左右。該裂縫的存在對(duì)二襯的安全使用及耐久性可能產(chǎn)生的影響，應(yīng)予以重視。

1.4.2 斜向裂縫

由圖1可以看出，斜向裂縫主要分布于拱頂、拱腳部位，發(fā)育時(shí)間較長(zhǎng)，大部分裂縫寬度達(dá)到穩(wěn)定需1.5～8個(gè)月的時(shí)間，圖3為斜向裂縫J1J2的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。斜向裂縫J1J2于2015年10月30日出現(xiàn)，起于邊墻，止于樁號(hào)上下鋼拱架連接處，與隧道縱向成55°夾角，初始寬度、深度、長(zhǎng)度分別為0.7 mm、100 mm、3 m左右。發(fā)育至 2015 年 12月中旬，速度緩慢，趨于穩(wěn)定，至 2016年 12月 7日，裂縫 J1J2最終寬度、深度、長(zhǎng)度分別為1.21 mm、120 mm、3 m左右。該斜向裂縫寬度雖然不像縱向裂縫一樣成倍增長(zhǎng)，但對(duì)二襯安全使用及耐久性的影響也不容忽視。

圖3 裂縫J1J2的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圖

1.4.3 豎向裂縫

豎向裂縫較少，僅有t1t2一條。豎向裂縫發(fā)育時(shí)間較短，僅在短短一周的時(shí)間，就基本上趨于穩(wěn)定，在后續(xù)1 a的跟蹤測(cè)試中，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

2 原因分析

二襯采用整體式模板臺(tái)車(chē)、泵送混凝土，嚴(yán)格按規(guī)程、規(guī)范要求施工，干縮及溫度裂縫較少。而該二襯裂縫出現(xiàn)的位置在V級(jí)圍巖與IV級(jí)圍巖交匯區(qū)域，對(duì)此，著重從隧道圍巖變化段及裂縫的分布部位，分析二襯裂縫產(chǎn)生的主要原因如下。

2.1 拱背回填不密實(shí)

局部圍巖破碎出現(xiàn)坍方空穴，以及周邊超、欠挖部位未能及時(shí)處理、拱背回填不密實(shí)等，致使二襯混凝土所能承受的應(yīng)力不均勻，應(yīng)由拱頂承受的山體壓力轉(zhuǎn)到拱腰部位，拱腰內(nèi)緣受拉，拱頂內(nèi)緣受壓。拱腰部分有可能最先拉裂，產(chǎn)生縱向裂縫。

2.2 掌子面爆破震動(dòng)

隧道掌子面開(kāi)挖距離二襯混凝土較近，爆破產(chǎn)生的震動(dòng)波會(huì)對(duì)已完成的二襯段產(chǎn)生較大的震動(dòng)，致使還未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的二襯混凝土承受不了較大的爆破震動(dòng)力，導(dǎo)致其產(chǎn)生裂縫。

2.3 強(qiáng)降雨影響

隧道施工區(qū)連續(xù)的強(qiáng)降雨，導(dǎo)致V級(jí)圍巖上部的松散巖體滲入大量匯集地雨水，土體自重增加，這種內(nèi)力變化或局部受力增大，致使拆模過(guò)早而未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的二襯混凝土承受較大的巖土體重力而開(kāi)裂。

3 裂縫部位二襯受力計(jì)算

該隧道左洞二襯開(kāi)裂部位主要為V級(jí)圍巖向IV級(jí)圍巖變化段，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖紙與“新奧法”基本原理，在IV、V級(jí)圍巖中，二襯結(jié)構(gòu)除承受自身荷載外，還承受?chē)鷰r變形壓力。該裂縫部位二襯設(shè)計(jì)厚度45 cm，扣除裂縫最大深度12.6 cm，裂縫部位二襯計(jì)算厚度取32.4 cm，采用midas計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，得出初期支護(hù)應(yīng)力及二襯安全系數(shù)，并與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算方法為地層結(jié)構(gòu)法，初期支護(hù)承擔(dān)45%的位移壓力，二次襯砌承擔(dān)55%的圍巖壓力，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 計(jì)算模型

圖5 初期支護(hù)應(yīng)力

圖6 二襯軸力

圖7 二襯彎矩

計(jì)算結(jié)果：從圖5可以看出，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力為6.8 MPa，初期支護(hù)為C20噴射混凝土，根據(jù)隧道規(guī)范，C20噴射混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度為11 MPa，初期支護(hù)是安全的。

從圖6、圖7中可以看出，二襯最大軸力、彎矩均發(fā)生在拱腳位置，根據(jù)軸力及彎矩值，計(jì)算得出拱腳截面的安全系數(shù)為1.85，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容許受力范圍內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)受力基本滿足設(shè)計(jì)要求，但隧道規(guī)范中二襯安全系數(shù)最小值為2.4，二襯的安全儲(chǔ)備小于規(guī)范值。

4 安全評(píng)估

綜上，該二襯裂縫均分布在隧道V級(jí)與IV級(jí)圍巖的交匯區(qū)域，主要因施工工藝控制不嚴(yán)及雨水入滲等因素，致使二襯出現(xiàn)施工早期裂縫。但隨著掌子面掘進(jìn)施工的遠(yuǎn)處或停止，圍巖松弛及變形的逐步趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的二襯不受施工影響，該早期裂縫也趨于穩(wěn)定。

從表1最終的二襯裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明，趨于穩(wěn)定的二襯裂縫，其寬度、深度均無(wú)明顯變化，無(wú)新的發(fā)展。其中縱向裂縫集中于拱腰部位，裂縫寬度均小于1.4 mm，斜向裂縫分散于拱頂、拱腳部位，最寬的裂縫3.21 mm/1條，最大深度126 mm，均屬微張開(kāi)裂縫。

在長(zhǎng)達(dá)1 a多的二襯裂縫監(jiān)測(cè)期間，未見(jiàn)裂縫處滲漏水，裂縫未貫通，未見(jiàn)二襯變形，綜合其結(jié)構(gòu)受力計(jì)算得出：裂縫部位的二襯整體結(jié)構(gòu)安全，其結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

但是，從二襯長(zhǎng)期使用及耐久性角度考慮，需要對(duì)存在裂縫的二襯進(jìn)行拱背回填處治及裂縫修補(bǔ)。

5 處治方案建議

根據(jù)裂縫部位的二襯實(shí)際，建議采用拱背鉆孔壓漿補(bǔ)強(qiáng)+裂縫注漿修補(bǔ)方案。具體施工技術(shù)如下：

1)拱背鉆孔壓漿補(bǔ)強(qiáng)：沿裂縫兩側(cè)交錯(cuò)、每隔1.5 m布置孔位，用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔深度1.5 m、孔徑35 mm，壓注經(jīng)試驗(yàn)配制的水泥漿，灰砂比1 ∶4左右，水灰比1 ∶1，注漿壓力一般控制在0.4 MPa以內(nèi)，處治出現(xiàn)裂縫的二襯及其拱背周邊巖土體。當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力而砂漿壓不進(jìn)時(shí)，即注漿已注滿，充填密實(shí)拱背外間隙及破碎巖土。個(gè)別裂縫嚴(yán)重的點(diǎn)位，可視情況增設(shè)中空錨桿，安裝WTD25中空注漿錨桿。在鉆孔時(shí)，如遇裂縫部位二襯排水點(diǎn)或孔，要在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)該孔口的排、滲水情況，根據(jù)滲水量的不同一并徹底處治。

2)裂縫注漿修補(bǔ)：采用注射環(huán)氧樹(shù)脂漿修補(bǔ)，沿裂縫鉆孔，孔距20 cm，孔徑12 mm，鉆孔深度以穿過(guò)裂縫深度控制，但不得將結(jié)構(gòu)打穿?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)制環(huán)氧樹(shù)脂配比(A/B漿料比例約為5/1)，灌漿順序應(yīng)從下到上或者一側(cè)向另一側(cè)依次灌漿，當(dāng)相鄰孔或裂縫表面開(kāi)始出漿后，保持壓力10～30 s，觀察縫中漿的情況，再適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)漿。最后用刮抹料、調(diào)色料處理混凝土表面，使其顏色與周?chē)r砌混凝土顏色一致。

6 防治措施

1)運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，防止二襯施工同類(lèi)裂縫發(fā)生。施工開(kāi)挖給襯砌周?chē)膰鷰r造成變形、松弛、剝落等影響，需要一定的圍巖穩(wěn)定周期，而多數(shù)二襯施工處在該圍巖穩(wěn)定期內(nèi)，由此該二襯需經(jīng)受未穩(wěn)定的圍巖壓力及施工干擾影響，有可能造成剛拆模的二襯出現(xiàn)裂縫，由于隧道能見(jiàn)度差，人工很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，在建設(shè)隧道施工安全等監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，建立或增加二襯早期裂縫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在施工期或更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)采集二襯變形及裂縫數(shù)據(jù)。若拆模后連續(xù)8個(gè)月及以上，二襯未出現(xiàn)裂縫及未收到其他異常信息,可判定二襯無(wú)裂縫，結(jié)構(gòu)安全。若發(fā)現(xiàn)裂縫，則應(yīng)繼續(xù)跟蹤觀測(cè),分析原因,立即采取措施防止同類(lèi)二襯裂縫發(fā)生。

2)加強(qiáng)隧道地質(zhì)勘察，優(yōu)化圍巖變化段設(shè)計(jì)。圍巖等級(jí)變化區(qū)段是二襯施工裂縫出現(xiàn)較多的部位，必須按工點(diǎn)勘察要求，著重查明地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)體以及危害程度，收集相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并充分考慮施工期不利荷載的影響及工期安排，合理擬定襯砌結(jié)構(gòu)，提出施工注意事項(xiàng)。

3)二襯拆模時(shí)間采用養(yǎng)生時(shí)間與強(qiáng)度指標(biāo)雙控。在二襯混凝土施工時(shí)，既要考慮施工進(jìn)度的時(shí)間安排，更要考慮拆模時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度。一般摻有早強(qiáng)劑、減水劑的水泥混凝土強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，時(shí)間不小于3 d養(yǎng)生時(shí)間。

4)嚴(yán)控爆破震動(dòng)，保證已完混凝土的安全間距。掌子面開(kāi)挖爆破點(diǎn)與襯砌混凝土之間的安全距離一般要求300 m，并盡量用小爆破、松動(dòng)爆破，消除開(kāi)挖爆破震動(dòng)波對(duì)二襯的損傷。

5)改善二襯混凝土澆筑工藝，確保拱背回填密實(shí)。二襯采用的泵送混凝土坍落度大，流動(dòng)性好，為防止出現(xiàn)拱頂空隙，應(yīng)采用泵送擠壓混凝土施工工藝澆注拱頂混凝土，并設(shè)注漿孔壓漿充填密實(shí)。對(duì)圍巖超挖部分及圍巖破碎坍塌空穴，采用二襯混凝土同步澆筑回填。

7 結(jié)論

1)某公路隧道二襯施工裂縫集中分布在隧道V級(jí)與IV級(jí)圍巖交匯區(qū)段，其以縱向裂縫和斜向裂縫為主，其發(fā)展特征表現(xiàn)為靜態(tài)，收斂時(shí)間不長(zhǎng)。縱向裂縫在前1.5～2個(gè)月發(fā)展較快，且發(fā)展速度隨著時(shí)間的變化呈衰減趨勢(shì)，在這之后裂縫長(zhǎng)度和寬度趨于穩(wěn)定；斜向裂縫寬度比縱向裂縫寬度需要更長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，一般需要1.5～8個(gè)月的時(shí)間。

2)在隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的二襯裂縫，宜進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤觀測(cè)，收集裂縫的變化情況，分析原因，改善施工工藝，防止后續(xù)二襯施工發(fā)生同類(lèi)裂縫，并對(duì)出現(xiàn)裂縫的二襯進(jìn)行修復(fù)處治。

3)趨于穩(wěn)定的裂縫部位二襯，整體結(jié)構(gòu)受力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備系數(shù)小，需要做修復(fù)性的處治。

4)本隧道二襯裂縫采用先監(jiān)測(cè)、后處治的方法正確，效果良好。經(jīng)過(guò)1 a多的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，于2016年12底完成了裂縫部位二襯的修復(fù)施工，經(jīng)過(guò)后續(xù)9個(gè)月的不定期觀測(cè)，原裂縫標(biāo)記完好，未發(fā)現(xiàn)新的裂縫。經(jīng)交通質(zhì)監(jiān)部門(mén)及檢測(cè)單位檢測(cè)，該工程結(jié)構(gòu)安全，質(zhì)量驗(yàn)收合格，為今后隧道二襯類(lèi)似病害處治提供了新的解決方案。

[1] 方利成,杜彬,張曉峰.隧道工程病害防治圖集[M].北京：中國(guó)電力出版社,2001.

[2] 陳榮魁.福建霞浦赤嶺隧道地質(zhì)病害及其處治措施[J].礦產(chǎn)勘查,2003,6(12):69-71.

[3] 徐琳.隧道二次襯砌裂縫分析與治理[J].公路交通科技,2003,20(6):66-68.

[4] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[5] 郗慶桃.梁家山隧道裂拱及滲漏水整治[J].隧道及地下工程,1993(4):48-53.